La conversion CC/CC dans de nombreux produits modernes concerne la densité de puissance - la quantité de puissance qui peut être traitée dans un espace donné pour obtenir une conversion de niveau de tension et souvent une isolation. Cela se voit particulièrement dans les produits de pointe du monde de l'IoT et des dispositifs médicaux. L'augmentation des niveaux d'efficacité des convertisseurs a certainement favorisé la miniaturisation, ce qui a permis aux produits d'évoluer de modules hors carte volumineux vers des composants montés sur circuit imprimé. Cela place la conversion et la régulation à l'endroit idéal à côté de la charge, là où elles doivent être les plus précises.
Cependant, les produits de montage sur carte disponibles sont restés obstinément dans les formats et les conceptions mécaniques qui ont été introduits sur le marché au cours du siècle dernier. Les disques ont été en grande partie des "mini-produits finaux" avec un circuit imprimé interne, un boîtier, un emballage et des broches, et l'assemblage manuel coûteux de certains composants internes, en particulier les composants magnétiques, est encore courant. Le produit final n'est souvent disponible que dans un format traversant, et même s'il s'agit de SMT, il peut avoir de sévères restrictions sur le profil de refusion autorisé, ce qui rend la pièce difficile à souder à la carte mère de l'utilisateur aux côtés d'autres composants moins sensibles. Par conséquent, les ingénieurs optent parfois pour des conceptions discrètes, qui sont plus faciles à gérer, mais occupent plus d'espace sur la carte et sont accablées par les coûts de conception, de qualification, d'achat, de stockage, de manipulation, d'assemblage et de test.
Par conséquent, l'un des objectifs des fabricants et des utilisateurs de convertisseurs a été de fabriquer des convertisseurs DC/DC au format SMT aussi petits que les autres composants modernes. Ils doivent être peu coûteux et ne pas nécessiter de dispositifs spéciaux de dissipation thermique ni de température et de durée de refusion restrictives. Si cela est réalisé, un concepteur ne penserait pas plus à utiliser une conception DC/DC discrète qu'à mettre en œuvre un convertisseur AD avec des transistors discrets.
3D Power Packaging : penser dans une nouvelle dimension
Dans le passé, un concepteur DC/DC pouvait commencer avec une empreinte cible, un circuit imprimé interne légèrement plus petit, puis le remplir avec autant de composants discrets qu'il pouvait. Une nouvelle approche consiste à penser en trois dimensions dès le départ, avec ce que le constructeur RECOM appelle « 3D Power Packaging » ou « 3DPP ». Le concept est basé sur la prémisse que le DC/DC doit utiliser la technologie de fabrication pour produire une pièce qui se manipule et se place comme n'importe quelle autre.
Votre construction interne doit utiliser la hauteur disponible et éliminer les matériaux inutiles. Par exemple, le matériau des circuits imprimés n'est rien d'autre qu'un support encombrant pour les traces de cuivre ; pourquoi ne pas simplement avoir des connexions autoportantes à l'intérieur de l'emballage ? Cependant, un appareil SMT a un cadre en cuivre pour former les terminaisons externes, de sorte que les composants internes peuvent s'asseoir directement dessus, éliminant ainsi le besoin d'une carte de circuit imprimé. Un bon exemple est le RECOM RPX-1.0, un régulateur à découpage qui fournit une sortie 1A, réglable de 0,8 à 30V, à partir d'une large entrée 4-36V.
L'appareil ne mesure que 3 x 5 x 1,6 mm avec des terminaisons QFN. En interne, la technologie flip chip avec des techniques de gestion thermique avancées tire parti de la commutation MHz à haut rendement pour fournir une densité de puissance potentielle étonnante de plus de 1 kW/cm3. Figure 1 montre la construction interne.
D'autres techniques 3DPP sont utilisées dans toute la gamme RECOM de DC/DC, telles que l'intégration de matrice dans des substrats. Cette technique libère de l'espace pour le placement d'autres composants et permet d'utiliser une matrice de circuits intégrés avec des couches de redistribution métallisées (RDL) supplémentaires, ce qui entraîne un contact direct avec le cuivre sur les couches de PCB pour des connexions sans soudure, améliorant la fiabilité et les performances thermiques.
Le RECOM RPL-3.0 est un exemple de cette technique : un régulateur à découpage de sortie 3A de seulement 3 mm de taille et 1,45 mm de hauteur. Ce style de construction (Figure 2) n'a pas besoin de surmoulage car il est intrinsèquement robuste, ce qui permet d'économiser des coûts et de l'espace, la surface de l'inducteur formant le point de détection SMT. Les performances thermiques sont également excellentes, avec une connexion directe de la puce à travers le substrat et les terminaisons au PCB de l'utilisateur, aidées par le rendement élevé du convertisseur de plus de 95 %.
Figure 2 : Construction du RECOM RPL-3.0 DC/DC avec matrice intégrée dans le substrat
La miniaturisation et la construction automatisée du DC/DC présentent un avantage supplémentaire : les chemins thermiques sont plus courts pour une dissipation efficace et une température de puce plus basse, et les connexions électriques sont également courtes. Cela rend les nœuds de commutation fermés et les boucles compactes, ce qui réduit les EMI. Avec la commutation MHz, cela signifie que les condensateurs d'entrée et de sortie peuvent avoir une valeur minimale, ce qui contribue à réduire la taille.
DC/DC sont désormais disponibles dans les packages SOIC-16
Un autre exemple de 3DPP a abouti à un produit isolé qui ressemble vraiment à un CI. La nouvelle série RxxCTExxS de RECOM est proposée dans un boîtier moulé SOIC-16 (large) de 10,3 mm x 7,7 mm d'une hauteur de seulement 2,65 mm, idéal pour les applications à espace restreint. Le produit (image principale de l'article), contrairement aux exemples précédents, possède une isolation galvanique. Les terminaisons Gullwing sont des extensions d'une grille de connexion interne avec un circuit intégré de contrôle et son propre transformateur planaire qui lui est attaché par des fils.
Il a longtemps été difficile d'obtenir une isolation solide dans les convertisseurs DC/DC à mesure qu'ils deviennent plus petits. Les approbations de sécurité de l'agence exigent également des niveaux d'isolation minimaux, un dégagement interne et externe et une ligne de fuite entre les broches. Cependant, le RxxCTExxS part de l'avantage que la disposition en papillon permet une ligne de fuite de plus de 8 mm à l'extérieur. La nouvelle série économique RxxCTExxS comprend des pièces qui atteignent une isolation de 3 kVDC/1 minute avec la classification d'agence IEC/UL/EN 62368-1 "Basic", de sorte qu'elles peuvent être utilisées dans le cadre d'un système d'isolation de sécurité du produit.
Les concepteurs de produits ont dû adopter une approche radicalement nouvelle de l'emballage des produits afin d'obtenir une fonctionnalité et des taux d'isolation élevés. Un transformateur toroïdal traditionnel ne pouvait pas répondre aux exigences d'isolation et un noyau E discret avec bobine ou similaire serait trop grand, de sorte que la fréquence de commutation a été portée à 30 MHz, permettant de réduire considérablement les spires d'enroulement et d'obtenir un noyau. d'un petit transformateur planaire, tout en incorporant une isolation solide entre les enroulements pour répondre aux exigences d'isolation.
Il existe deux versions à faible coût avec une sortie 5 V régulée à 0,5 W ou 1 W, avec une entrée 5 V, ciblant le marché DC/DC pour fournir une isolation de masse 5 V, une inversion de tension et une alimentation isolée pour les interfaces d'alimentation.Figure 4). Les marchés qu'ils ciblent sont larges, y compris l'IoT, l'industrie, la médecine, les compteurs intelligents et, en général, où une pièce fiable et robuste avec de larges plages de température est nécessaire, de -40°C à 125°C d'environnement, avec déclassement. Malgré leur taille compacte, les pièces ont une faible capacité d'isolation d'environ 7pF, ce qui est précieux dans les applications médicales et également pour alimenter les commandes de grille côté haut pour les commutateurs à large bande avec leurs formes d'onde dV/dt très élevées. Les performances d'émissions EMI sont également particulièrement bonnes.
Figure 4 : Le RECOM RxxCTExxS DC/DC alimentant une interface de données isolée
Les versions 0,5 W et 1 W n'ont aucune exigence de charge minimale, pour les applications de veille à faible charge, et contrairement à de nombreuses pièces concurrentes, une protection complète contre les courts-circuits, les surintensités et les surchauffes est fournie.
Des versions avec 2 x MOPP pour l'isolement médical sont également disponibles
Les DC/DC RxxCTExxS de RECOM font partie de sa gamme "Econoline", avec des caractéristiques et des fonctionnalités orientées vers des applications à faible coût. Des versions de spécifications plus élevées sont également disponibles et peuvent être utilisées pour un niveau supérieur d'isolement de qualité médicale, tout en restant rentables. Le R05CT05S est dans le même boîtier SOIC-16 et est une pièce de 0,5 W avec une entrée nominale de 5 V. Les sorties sélectionnables sont 3,3 V ou 5 V, alternativement 3,7 V ou 5,4 V, pour fournir des surtensions pour les régulateurs à faible chute (LDO).
La caractéristique la plus remarquable du produit pour les applications médicales est sa capacité de 2 x MOPP/250VAC continu selon IEC/EN 60601-1 avec une tension de test de 5kVAC. Il a également une capacité de couplage de seulement 3,5pF, pour un courant de fuite négligeable dans les applications 250VAC/50Hz. Dans les environnements non médicaux, les performances sont encore plus impressionnantes : isolation renforcée à une tension de fonctionnement de 800 VAC selon IEC/EN/UL 62368-1. La température de fonctionnement peut atteindre 140 °C avec déclassement, et la pièce comporte des fonctions d'activation, de synchronisation et d'écrêtage, ainsi qu'une protection contre les sous-tensions, les courts-circuits, les surintensités et les surchauffes.
L'application médicale du RECOM R05CT05S DC/DC
Il vaut la peine d'examiner comment les DC/DC comme le R05CT05S sont utilisés dans les applications médicales et la valeur qu'ils peuvent apporter. Les équipements électroniques sont de plus en plus utilisés dans une variété d'environnements médicaux et de soins à domicile, et les concepteurs de produits peuvent être familiarisés avec les normes de sécurité électrique auxquelles ils doivent se conformer : CEI 60601-1:2005 avec ses documents collatéraux et ses variantes nationales telles que EN 60601-1 :2006 en Europe et ANSI/AAMI ES-60601-1 aux États-Unis.
Ces normes se concentrent sur la protection contre les chocs électriques à haute tension ou les courants de fuite du secteur AC, et on pourrait penser que seuls les convertisseurs AC/DC sont pertinents pour les normes. Cependant, les convertisseurs CC/CC font souvent partie du système d'isolation de sécurité et peuvent en fait éliminer le besoin d'un CA/CC médical de meilleure qualité, lorsqu'ils sont correctement spécifiés.
Dans un premier temps, nous passerons en revue la terminologie et les exigences en matière de sécurité médicale : les normes font référence à des « mesures de protection » (MOP) dans l'environnement de l'opérateur et du patient. Un MOP peut prendre différentes formes ; avoir une boîte métallique sécurisée mise à la terre et un fusible secteur est un MOP.
Une ligne de vol ou une autorisation prescrite peut être une ou deux MOP, selon la distance de séparation réelle. De même, un matériau solide peut fournir un ou deux MOP. Dans tous les cas, la distance réelle requise dépend d'autres facteurs : tension du système, catégorie de surtension, degré de contamination de l'environnement et altitude de fonctionnement. Les exigences pour la protection des patients (MOPP) sont plus strictes que pour les opérateurs (MOOP).
Pour les équipements alimentés en courant alternatif, il doit y avoir un minimum de 2 x MOOP ou 2 x MOPP d'isolation de ligne CA à la sortie, selon que l'équipement est censé être utilisé dans un environnement « porteur » ou « patient », respectivement. Cependant, les prises connectées au patient doivent également être isolées de la terre par un minimum de 1 x MOPP, pour couvrir la possibilité que le patient puisse être électriquement "sous tension" d'autres équipements défectueux et qu'un courant mortel puisse alors circuler du patient vers la terre. du matériel non défectueux.
De nombreux AC/DC ne fournissent pas ce niveau d'isolation de la sortie à la terre ou au plus 1 x MOOP. Un convertisseur CC/CC isolé supplémentaire alimentant les circuits de connexion du patient peut aider dans cette situation. Fourni avec une isolation de qualité médicale adéquate, vous pouvez autoriser l'utilisation d'un AC/DC avec seulement 1 x MOOP d'isolation de sortie à la terre dans une application de connexion patient (Figure 5). Par rapport à un seul AC/DC avec 1 x MOPP à la terre, la combinaison d'un AC/DC plus commun avec 1 x MOOP plus un convertisseur DC/DC médical à faible coût peut être une solution économique.
Bien que DC/DC n'ait normalement que des entrées et des sorties basse tension, dans cette application, sa cote de sécurité en termes de MOP doit être pour la tension "système", généralement 250VAC. Soyez prudent, car certaines pièces concurrentes annoncées comme "2 x MOPP" ne sont que pour les basses tensions du système, peut-être 30VAC, ce qui a peu de valeur dans l'application.
le patient avec des pièces bon marché.
Figure 5 : Un scénario d'alimentation médicale qui permet le plus haut niveau de connexion avec le patient avec des pièces peu coûteuses
La figure 5 illustre également un autre scénario dans lequel il existe des connexions d'entrée/sortie de signal non spécifiées (SIPP et/ou SOPP), telles que des ports de communication avec un équipement, alimenté en courant alternatif ou sur batterie. Il doit y avoir 2 x MOPP entre les connexions patient et les signaux, au cas où un défaut externe rendrait les signaux « sous tension ». Encore une fois, un convertisseur CC/CC supplémentaire peut fournir l'isolation supplémentaire nécessaire.
La figure 5 montre une alimentation CA/CC de classe I, 2 x MOPP avec des entrées de signal système non spécifiées. Un convertisseur CC/CC 2 x MOPP supplémentaire est inclus, fournissant l'isolation complète nécessaire pour les entrées de signal et permettant d'utiliser le CA/CC « évalué par l'opérateur » le plus économique dans une situation de connexion patient. L'AC/DC seul est susceptible d'avoir un courant de fuite trop élevé pour les applications de connexion au patient, mais encore une fois, le convertisseur DC/DC, avec sa faible capacité d'isolement, réduit ce courant à un maximum facilement acceptable. . Typiquement, le convertisseur CC/CC n'aura besoin de fournir qu'une faible puissance pour une interface de connexion de patient à signal isolé et sera donc relativement petit et peu coûteux.
Les équipements alimentés par batterie entrent dans la même catégorie nécessitant une isolation 2 x MOPP entre les sorties de connexion patient et tout équipement non spécifié qui pourrait être connecté - un chargeur de batterie, par exemple, ou une imprimante via un câble USB. . Encore une fois, un convertisseur DC/DC 2 x MOPP pour alimenter les circuits isolés de l'interface de connexion patient est une solution.
Conclusion
Les convertisseurs CC/CC à isolation élevée de qualité médicale certifiés peuvent être des outils précieux pour atteindre les cotes d'isolation globales requises pour les applications les plus sensibles, y compris la flottaison cardiaque (CF) dans le pire des cas, la connexion patient. Avec une application minutieuse, les systèmes avec le RECOM R05CT05S peuvent être conçus, par exemple, pour minimiser les coûts sans compromettre la sécurité. Le conditionnement d'alimentation 3D avancé, les circuits et les techniques thermiques utilisés dans le CC/CC sont typiques des derniers produits RECOM, poursuivant la tendance de l'entreprise vers des convertisseurs CC/CC et CA/CC plus petits et plus efficaces. .
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